厚層銅柱凸塊製程技術
Warren W. Flack, Ha-Ai Nguyen, Ultratech, Inc.
Elliott Capsuto, Craig McEwen, Shin-Etsu MicroSi, Inc.
銅柱凸塊的技術最早由Intel於2006年應用在其65奈米製程，代號為「Yonah」的微處理器晶片中。晶圓凸塊代工廠及半導體製造商都積極參與評估這個新技術，而微影及電鍍製程的整合對於這個技術的成功具有非常關鍵的重要性。
當前晶片封裝的對外引線數和銅互連導線密度愈來愈高，對於覆晶式構裝或晶圓級封裝的需求，以銅柱凸塊作為傳統錫鉛凸塊技術的可能取代方案，正引起廣泛的成長和討論。
銅柱凸塊比傳統錫鉛凸塊製程提供如較高互連導線密度、較高的可靠度、改善的電性和散熱特性，以及降低鉛或無鉛…等優點。錫鉛凸塊製程在錫鉛加熱迴焊(reflow)過程中會崩毀(collapse)，而銅柱凸塊則會保持在x,y和z軸三方面的形狀(如圖一所示)。這種特性可以製造更細節距的凸塊，更小的防護層開口面積，以及在更高的互連導線密度環境中,執行更細小的重分配銲線(redistribution wiring)製程。
厚層銅柱凸塊的結構，其製造過程需要仰賴黃光微影及電鍍製程的緊密整合。這層很厚的光阻是作為銅電鍍的鑄模(mold)。光阻的材料必須可用傳統的半導體設備及標準的相關化學品作塗佈、曝光、顯影、電鍍及去除。除此之外，光阻對於光的敏感性、光阻烘烤製程以及顯影的時間對於每個基本微顯影範圍的擁有成本(cost-of-ownership )之最小化是非常關鍵的，對於電鍍製程、光阻的剖面形狀(profile)、電鍍時的耐久性以及電鍍後光阻的可去除性都是重要的考量。此外，選擇正光阻對於獲得暗域光罩(dark field mask)也非常重要。
銅柱凸塊的製造
我們在8吋的銅種子層晶圓上製造銅柱凸塊的陣列，他們具有不同的凸塊直徑和節距。我們並選擇經過化學強化處理，同時具有高對比和解析度的正光阻作為鑄模，因為其曝光速度、線緣結構(line-edge profile)以及對於厚光阻的製程可達到高穿透性。此一光阻可以在標準晶圓塗佈製程，一次就塗佈厚度約55微米的光阻。然而，塗佈系統必須具備一個高黏度適用泵，以及一個非常大直徑的管子，以幫助極黏的光阻液均勻地混合，並可使這種光阻液的黏度範圍達到5000 mPa.s。浸潤式(Immersion)的顯影時間在室溫下使用2.38%的氫氧化四甲銨水溶液(TMAH)是7分鐘。過程中不需要曝光後烘烤或是曝光到顯影製程間的延遲時間。
光阻在1倍的步進系統下，並基於1倍的Wynne-Dyson光學鏡頭、0.16的數值孔徑(numerical aperture)設計，以及ghi-line汞燈G-線波長從350到450奈米的光照下進行曝光。*低數值孔徑值以及寬頻光譜範圍的步進曝光機提供很大的景深(depth of focus)並最小化光阻側壁靠近底部端的駐波形狀(standing wave pattern)。步進機的曝光劑量以及聚焦偏移量為光阻下50微米的接觸窗作最佳化設定，之後使用晶圓邊緣曝光機系統(WEE)完全去除晶圓邊緣的光阻以為接下來的電鍍製程作準備。
這些8吋晶圓之後便以高效能自動化的單晶圓銅電鍍系統進行銅電鍍製程，*電鍍目標厚度為35 ±5微米。經過電鍍之後，用丙酮即可輕易去除光阻。
微影製程中線性關係的決定，是將某一區域從15到100微米的接觸窗陣列的量測數據作線性迴歸分析而得。此一製程的結果在小的光罩偏移值(photomask bias)為-0.27微米時具高度線性關係。此原罩上的小偏移值可以幫助簡化銅柱凸塊製程中所需原罩的設計和製造。
圖二顯示一個典型的方形接觸窗光阻在銅種子層上密集鎮獵區的橫切面圖。像15微米這麼小的接觸窗在55微米厚的光阻下可以解析，結果得到垂直的側壁結構，以及在光阻頂端邊緣最小的圓切化效果(rounding)。在尺寸小於20微米的光阻底部會有個小足突，然而，觀察到的這樣的小足突幾乎對正常銅電鍍的結構沒有影響。目前觀察到解析度超過50微米的接觸窗對於銅柱凸塊製程而言，則被視為先進的封裝應用。這樣解析度的餘裕則為量產的微影製程提供改善關鍵尺寸的控制與製程寬限。
較大聚焦寬限(focus latitude),對於控制局部形貌變化較大的區域內光阻圖案的關鍵尺寸是一項優點，光阻的聚焦寬限是在具銅種子層晶圓上，密集的50微米接觸窗陣列上評估。圖三a顯示負30微米的聚焦偏移條件下，在光阻上方有些許圓切化現象，而圖三b顯示在正5微米聚焦偏移條件下，有些許底部足突，但是在光阻上方則為垂直的側緣.要維持關鍵尺寸和側壁角度之間最佳的折衷條件為負10微米的聚焦偏移量。
為作銅電鍍製程的效能評估，我們在不同陣列間隔的銅種子層晶圓上製造了50微米的銅柱凸塊陣列，平均銅柱的高度為30微米。這些銅柱顯示近乎垂直的側壁切面結構，而且沒有任何凸塊下電鍍(underbump plating)的痕跡，所以，光阻證明了在電鍍過程中相當的持久性，而且沒有和基底黏著失效的問題。之後光阻再浸泡在丙酮溶液10分鐘從晶圓上去除，圖四顯示間隔為12.5微米和50微米銅柱凸塊陣列的結果，在相臨銅柱間並沒有發現橋接的情形。
結論
可量產製程的銅柱凸塊技術需要符合流變學(rheology)的光阻，支援旋轉塗佈單次操作厚度從40微米到100微米，同時必須有足夠的微影解析度及製程寬限，經曝光及顯影後，光阻層還必須對於銅電鍍具有足夠的耐久穩定性，而且之後還必須容易被無環境污染的溶劑系統去除乾淨。
我們證明低至15微米的解析度都可以獲得良好的製程控制，同時在直徑尺寸小到30微米的銅柱凸塊陣列結構，也可以得到極佳的電鍍效能。這些關鍵的尺寸已遠超過目前，甚至可預期未來先進封裝的設計需求。
本文中所使用的光阻為信越化學工業出產的SIPR 7120系列，經由Ultratech Unity AP300的晶圓步進機進行曝光製程，之後使用Semitool Raider M作為銅電鍍系統。
圖一：傳統錫鉛凸塊製程(左圖)和銅柱凸塊製程的比較(右圖)。
圖二：在掃描式電子顯微鏡下典型的15微米(左圖)及50微米(右圖)正方接觸窗在光阻下的橫切面圖。